UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA UMA PROPOSTA PARA A PROVISÃO DE QoS EM REDES BACKBONE UMTS Paulo Dias de Alecrim ABRIL 2006

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA UMA PROPOSTA PARA A PROVISÃO DE QoS EM REDES BACKBONE UMTS Paulo Dias de Alecrim Dissertação apresentada por Paulo Dias de Alecrim à Universidade Federal de Uberlândia para obtenção do título de Mestre em Ciências aprovada em 26 / 04 / 2006 pela Banca Examinadora: Banca examinadora: Professor: Paulo Roberto Guardieiro, Dr. (UFU) Orientador Professor: Solange da Silva, Dra. (UCG) Professor: Jamil Salem Barbar, Dr. (UFU)

3 UMA PROPOSTA PARA A PROVISÃO DE QoS EM REDES BACKBONE UMTS Paulo Dias de Alecrim Dissertação apresentada à Universidade Federal de Uberlândia como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências Prof. Paulo Roberto Guardieiro, Dr. Orientador Prof. Darizon Alves de Andrade, Dr. Coordenador do Curso de Pós-Graduação

4 Dedicatória A DEUS, Aos meus queridos pais, José Alecrim e Francisca, À minha querida esposa Ivane e a meus filhos, pelo apoio incessante, pela compreensão, paciência e amor, demonstrados nos momentos de dificuldade. Para ser sábio, é preciso primeiro temer a Deus, o SENHOR (Prov. 1:7-BLH)

5 Agradecimentos Primeiramente, agradeço a Deus pelas incontáveis bênçãos recebidas ao longo de minha vida. Ao meu orientador Prof. Dr. Paulo Roberto Guardieiro pela orientação competente e por todo apoio recebido. À Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia pelos recursos oferecidos para a elaboração deste trabalho. À minha eterna gratidão aos meus pais José Alecrim e Francisca Alecrim que abriram mão de muitos de seus recursos para proporcionar a mim os meus estudos. À minha querida esposa Ivane Fonseca Alecrim, que sempre acreditou no meu potencial, agradeço por todo o amor, carinho e compreensão. À minha filha Evelyn Alecrim e ao meu filho Ericssen Alecrim pela confiança e amor a mim dedicado. Aos colegas e amigos do Laboratório de Redes de Computadores, pelo companheirismo, paciência e amizade. A todos os meus amigos que, de alguma forma, contribuíram nesta caminhada, meus sinceros agradecimentos.

6 Resumo Com o crescimento da demanda das aplicações multimídia na Internet e com os atuais backbones de alta capacidade, espera-se que as redes backbone UMTS suportem diferentes aplicações com requisitos de QoS, principalmente aquelas sensíveis a retardos, perdas e jitter. Entretanto, as aplicações de tempo real exigem mecanismos apropriados para garantir QoS de acordo com suas características específicas. Neste trabalho propõe-se a utilização de um mecanismo baseada no modelo DiffServ, que classificará e tratará cada pacote de acordo com as necessidades estabelecidas previamente por suas aplicações. Tal proposta provê um tratamento diferenciado ao tráfego de diversos fluxos na rede. Os resultados obtidos a partir de modelagem e simulação demonstraram que a utilização do mecanismo proposto trata as classes de tráfego UMTS de forma diferenciada, oferecendo um nível de QoS satisfatório mesmo em condições de mobilidade dos usuários. Palavras-chave: Qualidade de Serviço (QoS), Serviços Diferenciados (DiffServ), backbone UMTS. vi

7 Abstract With the growth of the demand of multimedia applications in the Internet and with the current backbones, it is expected that UMTS backbones support different applications with QoS requirements, mainly those which are sensitive to delays, packet losses and jitter. However, real time applications require proper mechanisms to guarantee QoS according to their specific characteristics. It is proposed in this work, the use of a mechanism based on the DiffServ model, which will classify and treat each packet in accordance to the needs which were previously established by its applications. Such proposal provides a differentiated treatment to the traffic of several flows in the network. The results reached from simulation and modeling showed that the use of the proposed mechanism treats the UMTS traffic classes in a differentiated way, offering a suitable level of QoS even under mobility conditions of the users. Keywords: Quality of Service (QoS), Differentiated Services (DiffServ), UMTS backbone. vii

8 Sumário 1. Introdução Redes Móveis sem fio: Visão Geral Introdução Componentes Básicos de uma Rede Móvel sem Fio Evolução dos Sistemas Móveis sem Fio Sistemas Analógicos de Primeira Geração (1G) Sistemas Digitais de Segunda Geração (2G) Evolução das Redes 2,5G em Direção aos Sistemas 3G Sistema Universal de Telecomunicações Móveis - UMTS Evolução das Redes 3G em Direção aos Sistemas 4G Conclusão Tecnologia para Comutação de Pacotes nas Redes Móveis sem Fio Introdução Arquitetura de Rede GPRS Arquitetura EDGE Arquitetura de Rede UMTS A Pilha de Protocolos UMTS viii

9 3.4.2 A Interface Aérea do UMTS QoS em Redes UMTS Ativação do Contexto PDP Mapeamento das Classes UMTS QoS Parâmetros da Arquitetura de QoS para o UMTS Conclusão Qualidade de Serviço em Redes Móveis sem Fio Introdução Parâmetros que Influenciam na QoS Mecanismo para Provimento de QoS na Internet Arquitetura de Serviços Integrados IntServ Classes de Serviço Serviços Diferenciados DiffServ Classes de Serviço O Protocolo RSVP Service Level Agreements SLA Comutação Multi Protocolo (MPLS) Engenharia de Tráfego QoS em Redes Móveis Controle de Admissão de Chamadas (CAC) Alocação de Recursos de Rádio Policiamento do Tráfego Escalonamento Disciplinas de Escalonamento de Filas ix

10 FIFO PQ FQ WFQ WRR DWRR Conclusão Proposta para a Provisão de QoS em Redes Backbone UMTS Introdução QoS no Ambiente Backbone UMTS Definição do Problema Solução Proposta Conclusão Avaliação da Proposta para a Provisão de QoS em Redes Backbone UMTS Introdução Modelo de Simulação para o Ambiente Backbone O Simulador para o Ambiente de Rede Backbone Modelo de Simulação da Rede Móvel UMTS Modelo de Simulação da Rede Backbone UMTS Parâmetros para Simulação da Rede Backbone UMTS Cenário das Simulações Apresentação e Análise dos Resultados Análise Comparativa entre Disciplinas de Escalonamento x

11 6.6 Conclusão Conclusões Gerais Referências Bibliográficas xi

12 Lista de Figuras 2.1 Arquitetura de uma Rede Móvel sem Fio Arquitetura de uma rede GPRS Elementos básicos da arquitetura UMTS Arquitetura UMTS Arquitetura simplificada da pilha de protocolos UMTS Estrutura de quadros no modo FDD do UMTS Estrutura de quadro para o modo TDD do UMTS Arquitetura de QoS no padrão UMTS Ativação do contexto PDP pela MS Ativação do contexto PDP pela rede Desativação do contexto PDP pela MS Desativação do contexto PDP pela rede Componentes da arquitetura de QoS para UMTS Layout do Campo DS Classes do Serviço de Encaminhamento Assegurado Funcionamento do Protocolo RSVP xii

13 4.4 Modelo lógico DiffServ Encaminhamento de pacote em um domínio MPLS Layout do cabeçalho do protocolo MPLS Sistema de filas FIFO PQ FQ WFQ WRR DWRR Modelo de Simulação da rede móvel UMTS Modelo de Simulação da Rede Backbone UMTS Atraso por disciplina de escalonamento Atraso fim a fim para os fluxos F1 e F Atraso fim a fim para os fluxos F3 e F Banda alocada pelas classes F1, F2, F3 e F4 versus % carga de tráfego Perda de Pacotes versus % carga de tráfego (F1, F2) Perda de Pacotes versus % carga de tráfego (F3, F4) Perda de Pacotes versus % carga de tráfego (F1, F2, F3, F4) Variação de atraso (Jitter) versus % carga de tráfego (F1, F2) xiii

14 Lista de Tabelas 2.1 Sistemas Analógicos de Primeira Geração (1G) Características básicas da evolução dos sistemas móveis sem fio Progresso de Implementação da UMTS Mapeamento das Classes UMTS QoS em Classes DiffServ de PHB Atributos de QoS para as Classes UMTS Parâmetros de QoS definidos para um conjunto de aplicações Vazão para diversas aplicações Precedência IP Exemplos de Aplicações para as Classes UMTS e suas Restrições Quanto à QoS Parâmetros definidos para a simulação Classes de precedência e atraso Atraso em ms para os fluxos F1 e F2 com o aumento do tráfego Alocação de Banda para os fluxos F1 e F2 com o aumento do tráfego Jitter Médio em ms para os fluxos F1 e F2 com o aumento do tráfego xiv

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16 Lista de Abreviaturas 1G 2G First Generation; Second Generation; 2,5G Second and half Generation; 3G 3GPP AF AMPS ANATEL APN ATM AUC BCS BER BS BSC BSS BTS Third Generation; Third Generation Partnership Project; Assured Forwarding; Advanced Mobile Phone System; Agência Nacional de Telecomunicações Access Point Name; Asynchronous Transfer Mode; Authentication Center; Block Check Sequence; Bit Error Rate; Base Station; Base Station Controller; Base Station SubSystem; Base Transceiver Station; 2

17 CAC CBI CBQ CDMA CDR CL CN CP CQ Capacity-based Admission Control; Constraint-Based Routing; Class-based queueing; Code Division Multiple Access; Call Detail Record; Controlled Load Service; Core Network; Conditioning Paket; Custom Queueing; CT Conditioning Traffic ; D-AMPS DCS-1800 DiffServ DLCI DNS DS DSCP DSI DSL DWDM DWRR E-AMPS EDGE EF Digital AMPS; Digital Cellular System, 1,800 MHz; Differentiated Services; Data Link Connection Identifier; Domain Name Server; Direct Sequence; Differentiated Services Code Points; Digital Speech Interpolation; Digital Speech Link; Dense Wavelength Division Multiplexing; Deficit Weighted Round Robin; Extended AMPS; Enhanced Data Rates for Global Evolution; Expedited Forwarding; 3

18 EIR ESN ETSI FCFS FDD FDMA FH FIFO FM FPLMTS FQ FSK FTP FWA GERAN GGSN GMSC GMSK GP GPRS GPS GR GS GSM Equipment Identity Register; Eletronic Serial Number; European Telecommunications Standard Institute; First Come First Served; Frequency Division Duplexing; Frequency Division Multiple Access; Frequency Hopping; First-In-First-Out; Frequency Modulation; Future Public Land Mobile Telecommunication System; Fair Queuing; Frequency Shift Keying; File Transfer Protocol; Fixed Wireless Access; GSM / EDGE Radio Access Network; Gateway GPRS Support Node; Gateway MSC; Gausssian Minimum Shift Keying; Guard Period; General Packet Radio System; Generalized Processor Sharing; Resource Manager; Guaranteed Service; Global System for Mobile Communications; 4

19 GSMK GTP HLR HTTP IETF IMSI Gausssian Minimum Shift Keying; GPRS Tunnel Protocol; Home Location Register; Hiper Text Transfer Protocol; Internet Engineering Task Force; International Mobile Subscriber Identity; IMT-2000 International Mobile Telecommunications 2000; IntServ IP Integrated Services; Internet Protocol; IS-54 Interim Standart - 54; IS-95 Interim Standart - 95; IS-136 Interim Standart - 136; IT ITU ITU-T LL LSP LSR MAC MIN MMS MPLS MS MSC Information Technology; International Telecommunications Union; International Telecommunications Union Telecommunications; Layer Link; Label-Switched Path; Label-Switched Router; Medium Access Control; Mobile Identification Number; Multimedia Messaging Service; MultiProtocol Label Switching; Mobile Stations; Mobile Switching Center; 5

20 NAM NMT NOAH Network Animator; Nordic Mobile Telephones; Non-Ad-Hoc routing agent; NS-2 Network Simulator version 2; NTT OTcl PCS-1900 PCU PCUSN PDA PDC PDN PDP PDU PHB-EF PLMN PQ PSK PSTN QoS RA RAB RADIUS RAN Nippon Telephone and Telegraph; Object Tool command language; Personal Communication System, MHz; Packet Control Unit; PCU Support Node; Personal Digital Assistant; Personal Digital Cellular; Packet Data Networks; Packet Data Protocol; Packet Data Unit; Per Hop Behavior-EF; Public Land Mobile Network; Priority Queueing; Phase Shift Queueing; Public Switched Telephony Network; Quality of Service; Routing Area; Radio Access Bearer; Remote Authentication Dial In User Service; Radio Access Network; 6

21 RDSI RLC RNC RNS RSVP RTPC RTT SAP SDU SGSN SIM SLA SMS SMTP SNDCP TACS TBF TCP TDD TDMA TID TLLI ToS TTL Rede Digital de Serviço Integrado; Radio Link Control; Radio Network Controller; Radio Network Systems; Resource Reservation Protocol; Rede Telefônica Pública Comutada; Radio Transmission Technologies; Service Access Point; Service Data Unit; Serving GPRS Support Node; Subscriber Identification Module; Service Level Agreement; Short Message Service; Simple Mail Transfer Protocol; Sub Network Dependent Convergence Protocol; Total Access Communications System; Temporary Block Flow; Transmition Control Protocol; Time Division Duplexing; Time Division Multiple Access; Tunnel Identifier; Temporary Logical Link Identifier; Type-of-Service; Time-to-Live; 7

22 UDP UE UMTS UTRAN VLR VPN VSELP WCDMA WFQ WLAN WLL WRR WWW User Datagram Protocol; User Equipment; Universal Mobile Telephone System; UMTS Terrestrial Radio Access Network; Visitor Location Register; Virtual Private Network; Vector-Sum Excited Linear Prediction; Wideband CDMA; Weighted Fair Queueing; Wireless LAN; Wireless Local Loop; Weighted Round Robin; World Wide Web 8

23 Capítulo 1 Introdução O crescimento das redes sem fio com a integração de estações móveis (MS-Mobile Station) com alta capacidade de processamento tem despertado a necessidade de interligá-las à Internet e utilizá-las da mesma forma que os computadores convencionais, quebrando aquele conceito de que, para estar conectado deve-se estar à frente de um desktop em uma sala fechada. Para que estes dispositivos possam ter acesso às aplicações de tempo real, é necessário a implementação de mecanismos que ofereçam suporte de Qualidade de Serviço (QoS-Quality of Service) num ambiente com dispositivos em mobilidade [23], [55]. As estatísticas mostram que o número de redes móveis sem fio irá suplantar o de acessos fixos convencionais por volta do ano 2010 [77]. É surpreendente perceber que em apenas 20 anos os acessos sem fio terão alcançado a penetração de mercado atingida em cerca de 100 anos pelos serviços de acesso fixo convencional [54]. Relatórios da TELEBRÁS S/A hoje ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações) [78] informam que na década de 70 havia somente dois milhões de acessos fixos convencionais, mas com o advento das fibras ópticas houve o crescimento da digitalização dos sistemas telefônicos no Brasil. Assim, estes números foram acrescidos em 10 milhões de acessos fixos na década de 80, sendo que ao final da década de 90 já estavam em 22 milhões 9

24 de acessos fixos e 9 milhões de acessos móveis sem fio. Hoje, estes números são bem maiores, pois se têm na planta em funcionamento mais de 90 milhões de acessos móveis sem fio ao passo que os sistemas de acesso fixo decrescem a cada dia. Anterior à década de 90 predominava a necessidade pelo chamado acesso básico (como voz e Fax). Após essa década os usuários passaram a requerer, nesse novo cenário, não somente dos serviços de voz e Fax, mas também , áudio em tempo real, TV móvel, acessíveis com qualidade a qualquer momento e sem depender de posições geográficas. Desde sua criação, a Internet têm oferecido apenas o serviço de melhor esforço (Best Effort), caracterizado pela ausência de garantias de QoS às aplicações. A inadequação do serviço de melhor esforço aos requisitos das aplicações supracitadas motivou nos últimos anos o desenvolvimento de várias propostas para um novo modelo de serviços que agregasse o conceito de QoS na Internet, permitindo às aplicações requisitar serviços com diferentes características de qualidade [33], [45]. A possibilidade de acessar informações, aplicativos e serviços a qualquer momento e em qualquer lugar, está adequando uma nova sociedade da informação que vislumbra formas diferenciadas de acesso à Internet através de estações móveis, tais como PDAs (Personal Digital Assistant), Notebooks, Laptops, Palms, entre outras. [4]. Entretanto, a Internet não foi concebida para lidar com as características inerentes ao ambiente, onde vários usuários movimentam-se conectados à rede através de uma interface aérea com baixa largura de banda. A infra-estrutura dos sistemas móveis sem fio, com estações móveis, está evoluindo com o objetivo de dar suporte às aplicações de usuários com soluções de QoS fim a fim baseadas no protocolo IP, capazes de prover qualidade de serviço aos seus usuários. Maior capacidade está sendo proporcionada às redes móveis sem fio, com mais largura de banda no enlace de rádio e a utilização de comutação por pacotes desde a interface aérea [69]. 10

25 O mercado de telecomunicações apresenta atualmente duas principais demandas: usuários com uma crescente necessidade de acesso à informação com QoS; e usuários que necessitam acessar as informações a qualquer momento sem depender de posições geográficas. Atualmente, duas tecnologias têm atendido a estes dois requisitos através de diferentes alternativas, conhecidas como Internet e redes móveis sem fio, respectivamente. A convergência de ambas as soluções é um dos principais objetivos dos sistemas móveis de terceira e quarta geração (3G/4G) denominada pelo ITU (International Telecommunications Union) de UMTS (Universal Mobile Telephone System) [56]. Estes sistemas permitem que as duas demandas sejam atendidas pela mesma plataforma e através das novas gerações de sistemas de acesso [3]. Sistemas UMTS abrem as portas para a comunicação e serviços de multimídia em banda larga com velocidade superior a 100 Mbps com estações móveis [7], [56]. Tais perspectivas prometem conduzir a conectividade e a capacidade de dados em um ambiente móvel em níveis não disponíveis atualmente. A comunicação móvel sem fio permitindo a troca de informações a altas taxas e com alta qualidade de serviço entre estações móveis que podem estar localizadas em qualquer parte do mundo, representa a fronteira a ser suplantada pelos sistemas UMTS [54], [77]. Estes fatores sem dúvida sinalizam que as soluções para implementação de QoS são imprescindíveis para o sucesso destes sistemas. São importantes tanto para que os usuários possam usufruir destas novas aplicações, quanto para que as operadoras e provedores de serviço possam ter controle sobre suas redes e conteúdos. Objetivando alcançar um nível de qualidade de serviço satisfatório, as redes móveis sem fio deverão ser capazes de atender a requisitos de QoS de aplicações de tempo real [36]. O crescente interesse em torno de aplicações com estes perfis de QoS em redes móveis sem fio traz consigo desafios próprios que tornam a provisão de uma tarefa mais complexa. Tal 11

26 complexidade é resultado, dentre outros fatores, das limitações do ambiente e dos dispositivos envolvidos, como por exemplo: a qualidade da transmissão na interface aérea UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) que é afetada pelo desvanecimento [55], [65]; os recursos escassos de largura de banda; a necessidade do controle de admissão dos pacotes nos pontos de ingresso ao backbone UMTS e a própria mobilidade das MSs, que implicará na necessidade do gerenciamento do congestionamento no núcleo deste backbone. Estes entre outros, são alguns dos problemas que dificultam o provimento de QoS neste tipo de rede. Antes que uma MS possa efetivar a comunicação com outras PDNs (Packet Data Networks), o contexto PDP(Packet Data Protocol) deve ser ativado e nesta fase o perfil de QoS é negociado com o backbone. O backbone UMTS permite que sejam definidos perfis de tráfego para o qual o contexto pode se adequar tais como: (conversacional, streaming, interativa ou background), entre outros atributos que podem ser negociados [56]. Contudo, nenhum mecanismo de QoS é definido nesta fase que possa dar suporte a esses perfis e garantir o seu funcionamento. Caminhando neste sentido, com o objetivo de prover QoS em redes backbones com tecnologia UMTS, propõe-se nesta dissertação uma proposta para a provisão QoS. Tal proposta emprega a arquitetura de serviços diferenciados juntamente com o algoritmo de escalonamento por prioridade PQ (Priority Queueing). O modelo de serviços diferenciados é denominado pelo IETF (Internet Engineering Task Force) de DiffServ e usa a classificação de pacotes como mecanismo para obtenção de QoS, sendo uma extensão dos trabalhos já consolidados [24], [57] e [63]. O mecanismo proposto é aplicada nos SGSN (Serving GPRS Support Node) e GGSN (Gateway GPRS Support Node) do backbone UMTS. Para tanto, foram avaliados parâmetros de QoS como atraso, perda de pacotes, jitter e alocação de largura de banda para as classes de tráfego UMTS [55]. 12

27 A arquitetura DiffServ tem emergido como uma tecnologia de suporte a QoS em redes IP. Por esta razão, é redefinido o layout do octeto ToS (Type of Service) dos cabeçalhos dos protocolos IPv4 e do IPv6, que passa a ser chamado de campo DS (Differentiated Services) [5], [39], [57]. Assim, o tráfego que entra no backbone UMTS poderá ser tratado como as classes de tráfego UMTS, possuindo cada uma delas, diferentes prioridades por exigirem diferentes requisitos de Qualidade de Serviço. Desta forma, esta arquitetura pode ser usada como alternativa para fornecer QoS em redes backbone UMTS [52], [57], [58]. Mas o sucesso da implementação do modelo DiffServ depende também da escolha adequada do algoritmo de escalonamento. Portanto, um estudo comparativo será feito entre as seis disciplinas de escalonamento proposto pelo IETF com intuito de verificar quais delas atendem aos requisitos de atraso e jitter para aplicações sensíveis a estes atributos. O algoritmo PQ tem sido apontado como uma boa alternativa para o escalonamento de pacotes, capaz de minimizar o congestionamento no núcleo dos backbones UMTS através de um maior aproveitamento de seus recursos [38]. Espera-se com a implementação do mecanismo proposto, tornar viável o emprego das classes de tráfego UMTS propostas pelo grupo 3GPP (Third Generation Partnership Project) em backbones UMTS, concedendo um nível de QoS satisfatório a cada uma destas classes de forma diferenciada. Esta dissertação está organizada da seguinte forma: O Capítulo 2 apresenta uma visão geral dos sistemas móveis sem fio, aspectos de sua padronização, e os cenários de sua evolução considerando as redes 1G, 2G/2,5G e a evolução das redes 3G em direção aos sistemas 4G / UMTS. O Capítulo 3 apresenta os principais conceitos relativos à tecnologia para comutação de pacotes nas redes móveis sem fio. Aspectos técnicos da arquitetura GPRS (General Packet 13

28 Radio System), conceitos básicos do contexto PDP e a arquitetura EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution). O Capítulo 4 descreve as arquiteturas que suportam qualidade de serviço em redes móveis sem fio, incluindo as arquiteturas IETF que têm sido propostas para a implementação de qualidade de serviço nas redes IP. Descreve também os principais algoritmos de escalonamento propostos pelo IETF para a Internet. O Capítulo 5 apresenta a proposta para a provisão de QoS em redes backbone UMTS, definindo inicialmente o problema estudado e a solução proposta baseada na utilização do modelo DiffServ e a política de escalonamento PQ proposto pelo IETF para o provisionamento de QoS para estes sistemas. O Capítulo 6 apresenta os procedimentos detalhados para a avaliação da proposta apresentada. Descreve-se os ambientes de simulação utilizados e os resultados obtidos utilizando-se o mecanismo de DiffServ e o algoritmo PQ em redes backbone UMTS. São analisados os itens tais como, atraso fim a fim, largura de banda alocada, perda de pacotes e jitter. São apresentadas as conclusões para cada resultado obtido na simulação. Finalmente no Capítulo 7 são apresentadas as conclusões finais correspondentes aos pontos principais desta dissertação e sugestões para trabalhos futuros. 14

29 Capítulo 2 Redes Móveis sem Fio: Visão Geral 2.1 Introdução A grande popularidade e disseminação que as redes sem fio vem atingindo nos últimos anos têm despertado o interesse de diversos seguimentos ligados à pesquisa e desenvolvimento, especialmente no que diz respeito à adequação das redes sem fio à Internet. Um sistema de comunicação móvel sem fio tem como característica a possibilidade de mobilidade relativa entre as partes como, por exemplo, a comunicação entre um usuário a partir de uma estação móvel e a estação rádio-base no sistema móvel. Redes móveis usam a tecnologia sem fio para possibilitar uma comunicação transparente enquanto a estação móvel se desloca [5], [6]. Nos anos 80 as estações móveis eram instaladas em veículos o que permitia apenas uma comunicação veicular, e não pessoal. A era da comunicação pessoal teve seu início efetivo no início dos anos 90, quando o usuário podia portar o aparelho embora suas dimensões iniciais fossem grandes. Nestes últimos anos duas tecnologias têm crescido de uma maneira que excederam todas as expectativas: comunicações móveis sem fio e a Internet. O serviço móvel sem fio obteve um 15

30 crescimento muito grande de usuários juntamente com a redução drástica dos planos para os serviços de voz. Por outro lado, a Web proporciona uma grande possibilidade de acesso a informações para os usuários fixos. A possibilidade de acesso à informação e serviços a qualquer hora e em qualquer lugar do planeta poderá moldar uma nova sociedade de informação com os usuários acessando a informação na Internet através de diversos tipos de estações móveis, tais como telefones celulares, PDAs, Laptops, entre outros [5], [6]. Consideram-se, a seguir, os componentes básicos de uma rede móvel sem fio, bem como a evolução destes sistemas a partir dos padrões analógicos com tecnologia AMPS (Advanced Mobile Phone System). Os padrões 2G e suas características, e seus limitantes para uma tecnologia posterior 2,5G e a evolução da tecnologia 3G para 4G incluindo o padrão UMTS, são também apresentados. 2.2 Componentes Básicos de uma Rede Móvel sem Fio Uma rede móvel sem fio é composta pelos seguintes elementos básicos, estações móveis (MS - Mobile Station), estações base (BS - Base Station), centro de comutação móvel (MSC Mobile Switching Center), HLR (Home Location Register) e o VLR (Visitor Location Register) [12] [13]. Estações móveis comunicam-se com a estação base por meio de sinais de rádio. A estação base, que cobre uma determinada área denominada de célula, converte estes sinais e os transfere para um MSC via interface aérea ou mesmo via enlaces físicos. O MSC coordena e roteia as chamadas para outras estações móveis ou fixas conectando-as à rede pública de telefonia (PSTN Public Switched Telephone Network ). O HLR é uma base de dados de uma área de serviço que contém informações sobre as MSs cadastradas naquela área. Nos HLRs são armazenadas informações como, MIN (Mobile Identification Number), ESN (Electronic Serial Number) e perfil do usuário com dados sobre billing, call forward-to number, estado 16

31 (ativo ou inativo) e ponteiro para o último VLR onde a MS se registrou. O VLR funciona em conjunto com o HLR para suportar mobilidade das MS, ou seja, roaming automático. É um repositório local, temporário, com dados da MS que está fora de sua área de serviço. A Figura 2.1 esquematiza uma rede de comunicação móvel sem fio, com sua interligação à PSTN, HLR e VLR. outras PSTN outras MSC.. PSTN MSC. BSs HLR VLR MS Figura 2.1: Arquitetura de uma Rede Móvel sem Fio. O conceito introduzido pelos sistemas móveis sem fio permite que pequenas áreas de cobertura de rádio tornem-se parte de um grande sistema através da interconexão destas pequenas áreas por meio do MSC. Com o crescimento da demanda e o reduzido espectro de freqüências, as células têm uma tendência a reduzirem sua área de cobertura. Neste contexto, surgem os conceitos de macrocélula, microcélula e picocélula. As células reduzem, também, a potência de suas BSs. Um procedimento importante em sistemas móveis é denominado handoff e corresponde à mudança automática de chamada de uma célula para outra à medida que o usuário se desloca. 17

32 2.3 Evolução dos Sistemas Móveis sem Fio Serão considerados a seguir, alguns detalhamentos básicos dos componentes de uma rede móvel sem fio, bem como a evolução destes sistemas a partir de padrões estabelecidos no âmbito do 3GPP Sistemas Analógicos de Primeira Geração (1G) Os sistemas analógicos de primeira geração foram desenvolvidos para prover apenas serviços de voz. Dentre os principais sistemas desenvolvidos para prestar este tipo de serviço pode-se citar AMPS, NMT (Nordic Mobile Telephones), TACS (Total Access Communications System), C450 e NTT (Nippon Telephone and Telegraph). As características básicas destes sistemas são: modulação analógica em FM (Frequency Modulation), sinalização feita através da técnica de modulação FSK (Frequency Shift Keying), técnica de acesso FDMA (Frequency Division Multiple Access) com duplexação FDD (Frequency Division Duplexing), tamanho de célula de 0,5 km a 10 km e potência de transmissão do terminal móvel de 1 a 8 Watts [5], [4]. A Tabela 2.1 resume as principais características dos sistemas analógicos de primeira geração utilizados em todo o mundo [5]. Tabela 2.1: Sistemas Analógicos de Primeira Geração (1G). SISTEMAS Freqüência de Transmissão(MHz) Estação Rádio Base (BS) Estação Móvel (MS) VÁRIOS VÁRIOS VÁRIOS JAPÃO ALEMANHA PAÍSES PAÍSES PAÍSES NTT AMPS TACS NMT C Número de Canais Raio de Cobertura (Km) Taxa na Sinalização (Kbps)